劇場(chǎng)電氣系統中， 由于大量非線(xiàn)性負荷的應用， 諧波污染問(wèn)題較為嚴重。劇場(chǎng)電氣設備中，舞臺調光裝置是主要諧波源。由于可控硅調光設備在工作時(shí)產(chǎn)生的諧波量及諧波頻譜隨導通角變化而改變， 傳統的LC 無(wú)源濾波裝置不能有效治理。有源電力濾波裝置具有動(dòng)態(tài)補償的特性， 可以彌補這些不足。本文以施耐德電氣公司的AccuSine 有源濾波器為例， 詳細分析了有源濾波裝置的工作原理及在劇場(chǎng)中的應用。

　　關(guān)鍵詞 劇場(chǎng) 諧波 可控硅調光裝置 有源電力濾波器

　　1 概述

　　在理想情況下， 電力供應應該提供具有正弦波形的電壓。但實(shí)際上， 供電電壓的波形往往由于某些原因而畸變?yōu)椴煌潭鹊姆钦也ㄐ危?/span> 即產(chǎn)生諧波。供電系統中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國取工頻50 Hz ) 整數倍的正弦波分量， 又稱(chēng)為高次諧波。在供電系統中， 產(chǎn)生諧波的根本原因是由于給具有非線(xiàn)性阻抗特性的電氣設備(又稱(chēng)為非線(xiàn)性負荷)供電。這些非線(xiàn)性負荷在工作時(shí)向電源注入高次諧波， 導致供電系統的電壓、電流波形畸變， 使電能質(zhì)量變差。因此， 諧波是衡量電能質(zhì)量的重要指標之一。

　　民用建筑電氣設備中存在著(zhù)眾多的非線(xiàn)性阻抗特性的諧波源負荷， 如： 熒光燈、氣體放電燈、計算機、UPS、電子調速裝置、軟啟動(dòng)設備等。劇場(chǎng)電氣設備中也存在大量的諧波源， 尤其是舞臺燈光的可控硅調光裝置引起的電流波形畸變， 使諧波問(wèn)題尤為嚴重。為保證劇場(chǎng)供電系統中所有的電氣、電子設備正常、和諧的工作， 必須采取有效的措施， 抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害所造成的嚴重后果。

　　2 劇場(chǎng)電氣諧波特性分析及諧波危害

　　2. 1 劇場(chǎng)電氣主要諧波特性分析

　　劇場(chǎng)非線(xiàn)性負荷包括舞臺調光設備、帶電子鎮器的熒光燈、變頻空調等。根據劇場(chǎng)非線(xiàn)性負荷的容量及占用系統電源的比例， 舞臺調光設備屬于劇場(chǎng)電氣主要的非線(xiàn)性負荷。這些調光設備造成的諧波污染不僅影響劇場(chǎng)配電系統電能質(zhì)量， 還可能造成系統其它用電設備故障。因此在電氣設計階段應該著(zhù)重考慮諧波的影響并采取合理的治理措施。

　　舞臺燈光用的各種調光器實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)單相的相位控制交流調壓器。舞臺調光技術(shù)在經(jīng)歷了電阻型調光、變壓器式調光、磁放大器型調光階段后，發(fā)展為現在的用可控硅調光和計算機控制的現代化調光設備?？煽毓枵{光器是目前舞臺上的主流調光器。

　　正弦交流電壓過(guò)零后的某一時(shí)刻t1 (或某一相位角ωt 1)， 在可控硅的門(mén)極上加一觸發(fā)脈沖， 使可控硅導通， 這一導通將維持到正弦波正半周結束。因此在正弦波的正半周(即0 ～ p 區間)， 0 ～ ωt 1范圍可控硅不導通， 這一范圍稱(chēng)為控制角; 而在ωt 1 ～ p 間可

　　控硅導通， 這一范圍稱(chēng)為導通角。同理在正弦交流電壓的負半周， 對處于反向聯(lián)接的另一個(gè)可控硅(對兩個(gè)單向可控硅反并聯(lián)而言) 在t2時(shí)刻(即相位角ωt 2 ) 施加觸發(fā)脈沖， 使其導通。如此周而復始， 對正弦波的每一半周期控制其導通， 獲得相同的導通角。如改變觸發(fā)脈沖的施加時(shí)間(或相位)， 即改變了導通角(或控制角) 的大小。導通角越大調光器輸出的電壓越高， 燈就越亮。

　　由以上分析可知， 可控硅調光設備吸收的不再是正弦電流， 因此會(huì )造成調光設備的輸入電流畸變?yōu)橹芷谛缘姆钦译娏鞑ㄐ?。對該周期性非正弦電流進(jìn)行傅里葉級數分解， 可得出電流中除含有與電源相同頻率的基波成分外， 還含有一系列頻率為電源頻率奇數倍的高次諧波電流。這些高次諧波通過(guò)導線(xiàn)傳導到其它負荷， 同時(shí)由于系統中諧波阻抗的存在， 這些高次諧波電流還會(huì )引起電源電壓波形畸變。

　　2. 2 劇場(chǎng)諧波危害

　　電源電壓波形畸變造成電網(wǎng)諧波污染， 使電力系統的發(fā)、輸、配電設備出現許多異?，F象和故障。諧波的危害是多方面的， 就劇場(chǎng)電氣系統而言， 主要有以下幾個(gè)方面。

　　2. 2. 1 諧波對供配電線(xiàn)路的危害

　　三相四線(xiàn)配電線(xiàn)路中， 相線(xiàn)上3 的整數倍次諧波(零序諧波) 在中性線(xiàn)上會(huì )疊加， 使中性線(xiàn)的電流值可能超過(guò)相線(xiàn)上的電流值。由于中性線(xiàn)電流過(guò)大， 使配電系統中性線(xiàn)出現過(guò)負荷， 從而引起絕緣老化加速， 增加了火災隱患。

　　保護繼電器在諧波影響下產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)， 將嚴重威脅供配電系統的穩定與安全運行。隨著(zhù)諧波頻率的上升， 電纜導體集膚效應越發(fā)明顯， 導致導體的交流電阻增大， 使得電纜的允許載流量減小， 增加輸電線(xiàn)路的附加損耗。另外， 電纜的電阻、系統母線(xiàn)及線(xiàn)路感抗與系統串聯(lián)， 提高功率因數用的電力電容器及線(xiàn)路的容抗與系統并聯(lián)， 在一定數值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。

　　2. 2. 2 諧波對電力設備的危害

　　當電網(wǎng)存在諧波時(shí)， 投入電力電容器后其端電壓增大。通過(guò)電容器的電流增加得更大， 使電容器損耗功率增加， 加速絕緣介質(zhì)老化。在諧波嚴重的情況下， 還會(huì )使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。尤其是電容器投入到電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí)， 還可能使電網(wǎng)的諧

　　波加劇， 即產(chǎn)生諧波放大現象。

　　諧波使電力變壓器的銅耗增大， 包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大， 主要表現在鐵芯中的磁滯損耗增加。由于以上兩方面的損耗增加， 降低了變壓器的設備利用率。因此設計階段在選擇變壓器額定容量時(shí)需要考慮電網(wǎng)中的諧波含量， 適當放大變壓器容量。

　　對于配電用斷路器來(lái)說(shuō)， 受諧波電流的影響，導體的集膚效應與銅耗增加而引起發(fā)熱， 使得額定電流降低與脫扣電流降低， 可能因諧波而誤動(dòng)作。

　　2. 2. 3 諧波對弱電系統設備的干擾

　　對于計算機網(wǎng)絡(luò )、通信、有線(xiàn)電視、火災自動(dòng)報警系統， 以及樓宇自動(dòng)化系統等弱電設備， 電力系統中的諧波通過(guò)電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統中， 產(chǎn)生干擾。其中電磁感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比， 通過(guò)公共接地耦合的傳導， 干擾弱電系統。

　　3 劇場(chǎng)電氣諧波治理措施分析

　　目前， 國內有采用提高變壓器質(zhì)量及容量、增大電纜截面積(特別是加大中性線(xiàn)電纜截面積)、選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件的方法減小諧波的影響， 這些方法并不能從根本上消除諧波， 反而降低了保護特性與功能， 加大了投資成本， 增加了供電系統隱患。

　　為有效抑制諧波， 在劇場(chǎng)電氣設計中， 可采用的方法主要有： 合理設計配電線(xiàn)路、適當的變壓器接線(xiàn)方式、合理布線(xiàn)、裝設濾波裝置等。其中配電線(xiàn)路設計、變壓器接線(xiàn)方式及布線(xiàn)方式可參照《劇場(chǎng)建筑設計規范》(JGJ 57 - 2000)、《民用建筑電氣設計規范》(JGJ 16 - 2008) 等。下面將詳細分析裝設濾波裝置的方法。

　　濾波裝置分為無(wú)源濾波裝置和有源濾波裝置， 裝設在調光設備回路上。

　　3. 1 無(wú)源濾波裝置

　　目前劇場(chǎng)配電系統諧波治理大多采用LC 無(wú)源濾波器。它在吸收高次諧波的同時(shí)， 還具有改善功率因數的功能。然而， 由于調諧偏移及濾波器阻抗的存在， 大大妨礙了濾波效果。而且， 對于不同頻率的諧波， 需分別設置多個(gè)LC 濾波支路， 彼此相互干擾，可能顧此失彼。尤其在大量使用可控硅調光設備的劇場(chǎng)， 由于可控硅調光器在工作時(shí)產(chǎn)生的諧波量及諧波頻譜隨導通角變化而變化， 而LC 無(wú)源濾波器無(wú)法滿(mǎn)足變化諧波的治理要求， 裝設并聯(lián)型有源電力濾波器(APF ) 可彌補這些不足。

　　3. 2 有源濾波裝置

　　有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補償無(wú)功的新型電力電子裝置， 它能對大小和頻率都在變化的諧波， 以及變化的無(wú)功進(jìn)行補償。

　　3. 2. 1 有源電力濾波器的基本工作原理

　　有源電力濾波裝置的基本工作原理如下： 檢測補償對象的電壓和電流， 經(jīng)指令電流運算電路計算得出補償電流的指令信號， 該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大， 得出補償電流， 補償電流與負荷電流中的諧波及無(wú)功電流抵消， 最終得到期望的電源電流。有源電力濾波器工作原理如圖1 所示(只針對某一特定次數諧波的治理， 圖中所示為只濾除5 次諧波)。并聯(lián)型有源濾波器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)受控的快速反應的諧波電流源， 與非線(xiàn)性負荷并聯(lián)， 自動(dòng)檢測非線(xiàn)性負荷產(chǎn)生的諧波電流。經(jīng)DSP (數字信號處理器) 產(chǎn)生的控制信號控制IGBT (絕緣柵極雙極晶體管) 高速開(kāi)關(guān)器件， 經(jīng)過(guò)輸出電抗器輸出與負荷諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流， 起到補償諧波的作用。其結果是系統只向負荷提供基波電流。與其它濾波技術(shù)相比， 有源電力濾波器具有以下優(yōu)勢：

　　a . 動(dòng)態(tài)濾波， 能適應變化的諧波負荷。

　　b . 響應速度快， 一般在幾十μs 內響應負荷變化， 對沖擊變化的諧波全補償響應時(shí)間在10 ～ 60 ms(主要取決于諧波檢測模式)。

　　c . 選型時(shí)只需考慮諧波電流大小， 而與負荷類(lèi)型無(wú)關(guān)。

　　d . 可以對單個(gè)非線(xiàn)性負荷、集中非線(xiàn)性負荷、變壓器供電系統進(jìn)行補償， 安裝位置靈活多樣。

　　e . 內部保護安全可靠， 不因諧波過(guò)負荷而退出運行， 擴展容易。

　　f . 不受系統阻抗影響， 不會(huì )發(fā)生諧振。

　　3. 2. 2 有源電力濾波裝置的安裝位置

　　在設計有源濾波裝置時(shí)， 需要根據劇場(chǎng)配電系統和負荷情況的不同選擇合適的安裝位置。安裝位置通常情況下有三種選擇方式：

　　a . 集中治理方式見(jiàn)圖2 。

　　集中治理方式可對所有低壓非線(xiàn)性負荷實(shí)現濾波。適用于非線(xiàn)性負荷較為分散、單個(gè)負荷容量較小的場(chǎng)合。濾波裝置安裝于低壓配電室內。

　　b . 分組治理方式見(jiàn)圖3 。

　　分組治理方式中有源電力濾波器安裝于二級低壓配電盤(pán)， 適用于非線(xiàn)性負荷相對集中的場(chǎng)合。

　　c. 就地治理方式見(jiàn)圖4 。

　　就地治理方式適用于單個(gè)非線(xiàn)性負荷產(chǎn)生較大諧波畸變且分布相對分散的場(chǎng)合， 有源電力濾波器安裝在該非線(xiàn)性負荷側。

　　有源濾波器的安裝與諧波源越近， 濾波效果越好， 這是減小諧波電流和諧波電壓畸變的最好辦法。由于有源電力濾波器安裝位置的靈活性， 可以完全實(shí)現根據設計需要達到最佳的諧波治理效果。

　　4 Schneider 有源電力濾波器簡(jiǎn)介

　　由于有源電力濾波器明顯的技術(shù)優(yōu)勢， 市場(chǎng)需求也在不斷擴大， 能提供有源電力濾波器的電氣生產(chǎn)廠(chǎng)家也在不斷增加。本文主要介紹施耐德電氣公司生產(chǎn)的有源電力濾波器AccuSine 的產(chǎn)品原理， 其技術(shù)原理與市場(chǎng)上絕大部分并聯(lián)型有源電力濾波器相同。

　　4. 1 AccuSine 有源電力濾波器工作原理

　　AccuSine 有源濾波裝置并聯(lián)于電網(wǎng)系統中， 通過(guò)外部互感器CTe實(shí)時(shí)采集電流信號， 通過(guò)內部檢測電路分離出其中的諧波部分， 由IGBT 逆變產(chǎn)生與系統中的諧波大小相等、方向相反的補償電流并注入系統， 從而將電源側電流補償為正弦波， 達到濾除諧波的目的。其工作原理見(jiàn)圖5 。

　　AccuSine 的輸出補償電流是根據系統的諧波量動(dòng)態(tài)變化的， 因此不會(huì )出現過(guò)補償的問(wèn)題。另外，AccuSine 內部有過(guò)負荷保護功能， 當系統的諧波量大于濾波器容量時(shí)， AccuSine 可以自動(dòng)限制在100% 額定容量輸出， 不會(huì )發(fā)生濾波器過(guò)負荷。

　　AccuSine 有源電力濾波器在濾波的同時(shí)可通過(guò)參數設置進(jìn)行無(wú)功補償。其輸出的無(wú)功補償電流是根據系統無(wú)功容量需求動(dòng)態(tài)變化的， 不會(huì )出現過(guò)補償， 且柔性的無(wú)功補償不會(huì )產(chǎn)生涌流沖擊。

　　4. 2 AccuSine 有源電力濾波器內部控制原理

　　如圖6 所示， 斷路器合閘后， AccuSine 首先通過(guò)預充電電阻對DC 母線(xiàn)的電容器充電。這個(gè)過(guò)程會(huì )持續數秒鐘， 以防止通電后DC 母線(xiàn)電容器的瞬間沖擊。當母線(xiàn)電壓Udc達到額定值后， 預充電接觸器閉合直流電容作為儲能元件， 為通過(guò)IGBT 逆變器和內部電抗器向外輸出補償電流提供能量。同時(shí)， 直流電容器通過(guò)電源電路向內部的控制電路和電子電路提供工作電源。

　　AccuSine 通過(guò)外部CTe采集電流信號送至控制電路的諧波分離模塊， 該模塊將基波成分分離， 將諧波成分送至調節和監測模塊。該模塊會(huì )將采集到的系統諧波成分和AccuSine 已發(fā)出的補償電流比較， 得到差值作為實(shí)時(shí)補償信號輸出到驅動(dòng)電路， 觸發(fā)IGBT 逆變器將補償諧波電流注入到電網(wǎng)中， 實(shí)現濾除諧波的功能。

　　4. 3 AccuSine 有源電力濾波器接線(xiàn)方式

　　AccuSine 包括AccuSine / 3L 和AccuSine / 4L 兩個(gè)系列產(chǎn)品。圖7 為AccuSine / 3L 安裝接線(xiàn)圖， 圖8 為AccuSine / 4L 安裝接線(xiàn)圖。

　　由圖7、圖8 可知， AccuSine / 3L 應用于三相對稱(chēng)系統時(shí)， 只需安裝兩相CT， 可有效濾除相線(xiàn)諧波電流; AccuSine / 4L 還可有效濾除中性線(xiàn)諧波電流， 其中性線(xiàn)濾波能力為相線(xiàn)濾波能力的3 倍。如AccuSine / 4L - 90 A， 可有效濾除相線(xiàn)諧波電流90 A，濾除中性線(xiàn)諧波電流270 A。

　　當系統擴展或非線(xiàn)性負荷增加， 原有濾波裝置容量不能滿(mǎn)足系統需求時(shí)， AccuSine 可方便地實(shí)現并聯(lián)， 見(jiàn)圖9。多臺濾波器并聯(lián)時(shí)， 無(wú)需增加測量CT。

　　5 AccuSine 有源電力濾波器在劇場(chǎng)中的應用

　　圖10 為× × 劇場(chǎng)在未采取諧波治理措施時(shí)， 由FLUK 435 檢測裝置捕捉到的舞臺調光設備回路的電流波形圖。從該圖中可知， 可控硅調光設備在投入使用后使電流波形產(chǎn)生嚴重畸變， 且中性線(xiàn)諧波電流較大。對該電流波形做進(jìn)一步諧波頻譜分析， 得到諧波頻譜特性， 見(jiàn)圖11。由圖11 可知， 電流總諧波畸變率即THDI高達65.3%。其中， 3 次諧波電流畸變率在50% 以上。由于3 次諧波為零序諧波， 在中性線(xiàn)上疊加， 使中性線(xiàn)電流增大， 將引起中性線(xiàn)絕緣加速老化， 故治理諧波時(shí)需考慮在濾除相線(xiàn)諧波電流的同時(shí)， 濾除中性線(xiàn)上的諧波電流。

　　AccuSine / 4L 安裝于舞臺調光設備回路并投入使用后， 電流波形如圖12 所示。相線(xiàn)電流波形接近正弦波， 中性線(xiàn)電流大幅度降低， 取得了良好的濾波效果。

　　下表為AccuSine / 4L 有源電力濾波器產(chǎn)品特性。

　　6 結束語(yǔ)

　　劇場(chǎng)電氣系統中除了具有一般建筑配電系統的諧波源之外， 還具有一些特有的諧波源。舞臺調光設備為大型劇場(chǎng)的主要諧波源負荷， 可控硅調光系統是目前劇場(chǎng)舞臺上的主流調光器， 在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生大量的3 次諧波及高次諧波， 且諧波頻譜隨導通角改變而發(fā)生相應變化， 造成配電系統的電力設備效率低下、燈光頻閃、中性線(xiàn)過(guò)負荷發(fā)熱， 并對通信等弱電回路產(chǎn)生干擾。裝設并聯(lián)型有源電力濾波裝置可以有效濾除相線(xiàn)及中性線(xiàn)上的諧波電流， 并能實(shí)現諧波頻譜變化時(shí)的動(dòng)態(tài)濾波。AccuSine 有源電力濾波器在實(shí)際應用中取得了良好的濾波效果。